星空体育网页版登录入口_登录入口:机械浆磨浆过程中纤维分离与分丝帚化研究进展.pdf

doi：10．13472~．ppm．2014．08．005机械浆磨浆过程中纤维分离与分丝帚化研究进展●程凤珍’，李友明『1．安德里茨(中国)有限公司，广东佛山；2．华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室。广东广州]摘要：回顾了机械浆磨浆过程中纤维分离与分丝帚化的相关研究，分别介绍了纤维分离与分丝帚化过程、纤维分离和分丝帚化模式、纤维分离与分丝帚化机理、纤维分离和分丝帚化对磨浆温度和磨浆能量消耗的影响，以及纤维分离对浆料品质的决定性作用。通过回顾这些研究，了解到纤维分离与分丝帚化同时发生于磨浆过程中，劈开、滑移和撕裂是纤维分离与分丝帚化的3种模式；此外，还可以了解纤维断裂的3种模式。虽然纤维分离与分丝帚化机理迄今尚未研究清楚，但S层微纤丝角所决定的S：层变化仍是关键因素。通过回顾可知，大部分能量消耗于纤维分丝帚化，少部分消耗于纤维分离和温度升高。最后，总结了纤维分离对浆料品质的重要作用。关键词：磨浆；纤维分离；纤维分丝帚化；微纤丝角中图分类号：TS752文献标识码：A文章编号：1001—6309(—0014—04近年来，一种经过改良的机械浆工艺(如APMP)，以其较高的木材原料利用率、较少的化学品用量以及较低的水污染物和大气污染物等特点，在液体包装纸行业中得到越来越多的应用。

不过，APMP制浆工艺仍存在着磨浆能耗较高的问题，且磨浆能耗越高对纤维损伤越大，从而使纤维变得更短，成纸物理力学性能变差。因此，研究机械浆磨浆过程中纤维如何被分离并且分丝帚化对改善戍浆质量、降低磨浆能量消耗是非常有意义的。本研究通过总结前人的研究经验和成果来获得对磨浆过程中纤维分离和分丝帚化机制的进一步认识。于l999-if-提出了一个理想的机械浆工艺：纤维从木材中分离出来，纤维长度尽量被保留，纤维细胞壁被分丝帚化，从胞间层、细胞壁的初生壁(又称为P层)和次生壁(又称为s层，S层叉可被分为S。、S和S层)剥离且最终留下的S层细胞壁表面必须细纤维化【l1。因此，机械浆磨浆过程有两种作用：一是分离纤维()，即把木片分离成单根纤维；二是发展纤维()，是指被分离的单根纤维表面分丝帚化成浆，即单根纤维之间的胞间层分离以及细胞壁破裂、引起初生壁和次生壁分离、次生壁被分丝等。1兰描述机械磨浆纤维分离过程：木片(Chip)先被破碎成“火柴杆”(Shire)，“火柴杆”进一步发展成长纤()，长纤通过两种途径进一步发展：途径一。

发展为短纤(和细小纤维(Fines)；途径二，经分层()和剥皮()作用发展为长纤、短纤和细小纤维。在磨浆过程中，纤维通过木片溃裂和剥皮机制得到发展，且剥皮起主导作用(见图1)【2’。分层维图l磨浆过程中纤维分离变化【2’通常，纤维分离和纤维表面分丝帚化是在磨浆过程中同时发生的，因而粗浆通常含有长度不同的纤维、纤维束、细小纤维和浆渣等。研究显示，增加磨浆的比能耗(SEC)能改变粗浆的某些品质。随着磨浆能耗增加。纤维细胞壁塌陷，胞腔变窄变细【4]。细胞壁破裂且细胞壁厚度降低I4’，细胞壁被剥离、细纤维化lo(见图2)。前人的研究还发现，在纤维分离和纤维分丝帚化过程中，纤维的P层和s层间彼此分离或在s层内部分离】。在磨浆初段，因纤维被剥离外层壁而产生的细小纤维具有良好的轻度分散性。在磨浆作者简介：程凤珍女士(1971一)，博士，技术支持经理，工程师，主要从事制浆造纸机械设备设计制造、制浆造纸节能研究工作；联系电话*********41。通讯作者：**明先生，教授，博士生导师，主要从事制浆造纸清洁生产与污染控制研究。年8月第33卷第8期图2磨浆过程中纤维细胞壁分丝帚化的后段，细小纤维性能与暴露的纤维次生壁(s：层)的性能一致。

此外，磨浆还引起不同程度的纤维损害，象纤维细胞壁的断裂等。图3磨浆过程中纤维分离和分丝帚化模式。古川郁夫于1980年用日本柳杉纤维细胞做拉伸试验时，通过扫描电镜发现纤维细胞壁断裂大都发生在纹孔附近，并且断口断裂模式有3种：横向裂纹扩展，即 裂 纹 沿 微 纤 丝 角 垂 直 方 向 扩 展 ；劈 裂 型 扩 展 ，即 裂 纹 沿 微 纤 丝 角 方 向 螺 旋 扩 展 ；横 向 与 劈 裂 兼 具 的 断 裂模 式 ' ”]。 余 雁 于 200 3 年 在 其 博 士 学 位 论 文 中 的 研 究表 明 S ，层 微 纤 丝 角 是 纤 维 细 胞 纵 向 力 学 性 能 的 决 定 性 因 素 ” 。最 近 的 研 究 表 明 ，对 于 同 一 纤 维 细 胞 ， S ，层 微 纤 丝 角 沿 细 胞 长 轴 方 向 是 一 个 常 数 ，即 使 在 纤 维 细 胞 的 尖 端 部 位 ，其 微 纤 丝 角 也 与 细 胞 中部 的 微 纤 丝 角 近 似 相 等 ，但 对 于 同 一 植 株 ，枝 条 细 胞 的 S，层 微 纤 丝 角 要 大 于 树 干 细 胞 的 S ，层 微 纤 丝 角 ， 这 是 因 为 微 纤 丝 角 越 大 ，细 胞 的 韧 性 越 好 。

越 不 容 易 断 裂 ” 14]。 Mark 于 196 7 年 提 出胞 间 层 主 要 由 弹 性 模 量 较 低 的 无 定 形 物 质 组 成 且 难 以 承 受 较 高 应 力 ，因 此 断 裂 不 会 从 胞 间 层 开 始 ，并 提 出 纤 维 细 胞 壁 断 裂 可 能 经 历 的 两 个 阶 段 ：先 是 s 层 的 剪 切 破 坏 然 后 是 沿 着 S，层 微 纤 丝 角 方 向 的 螺 旋 开 裂 。 最 终 断 裂 模 式 可 能 与 s，层 微 纤 丝 角 度 大 小 有 关 ； 微 纤 丝 角 小 ，纤 维 细 胞 壁 断 裂 可 能 发 生 于微 纤 丝 主 链 化 学 键 的 断 开 ；如 果 微 纤 丝 角 大 ，纤 维 细 胞 壁 断 P a per and P aper Ma king Vo 1．3 3 No．8 Aug 2 0 14 裂 可 能 发 生 于 纤 维 素 分 子 链 之 间 的 氢 键 [1 ’】。然 而 ， 在 1986 年 发 表 的 研 究 论 文 中认 为 化 学 机 械 浆 纤 维 分 离优 先 发 生 在 胞 间 层 -1 ，该 结 论 与 M ark 关 于 “断 裂 不 会 从 胞 间 层 开 始 ”的 论 断 相 矛 盾 ，这 说 明 在 磨 浆 过 程 中 ，纤 维 受 到 的 不 仅 仅 是 单 一 的 拉 伸 作 用 力 ，而 是 包含 拉 伸 、剪 切 、压 缩 、扭 转 几 种 作 用 力 共 同施 加 的 结 果 。

所 以 由单 一 拉 伸 作 用 力 所 得 的 关 于 纤 维 细 胞 壁 S，层 微 纤 丝 角 对 纤 维 细 胞 壁 的 应 力 应 变 影 响 的 结 论 并 不 完 全 适 用 于 N-纤 维 分 离 与 分 丝 帚 化 机 理 的 解 释 ，而 仅 仅 只 能 作 为 一 个 参 考 。 尽 管 纤 维 分 离 和 分 丝 帚 4t5模 式 已被 定 义 ，但 迄 今 为 止 ，导 致 纤 维 分 离和 分 丝 帚 化 的 确 切 机 理 仍 不 清 楚 。研 究 人 员发 现 在 机 械 压 力 下 ，纤 维 分 离 受 水 分 、温 度 和 栽 荷 影 响 ，发 生 在 木 材 结 构 最 薄 弱 处 。 因此 ，在 磨 浆 过 程 中 ，纤 维 分 离发 生 在 材 质 最 薄 弱 的 部 分 且 与 水 分 、温 度 、作 用 力 大 ，J、和 作 用 频 率 有 关 ，但 顸 处理 方 式 ( 4t5学 、机 械 、生物 等 ) 也 有 一 定 影 响 。 D inw oodie 于 19 74 年 发 表 论 文 ，阐 述 了 压 缩 木 片 的 弹 性 变 形 平 行 于木 材 纹 理 ，其 表 现 发 生 在 与 木 射 线 接 触 的 管 胞 处 ，S ，层 的 变 形 可 引起 细 胞 壁 微 纤 化 ( 纤 毛 化 ) 且 形 变 大 小 与 纤 维 轴 向 与 径 向 的 弹 性 模 量 之 比 有 关 ”' 19]。

2 002 年 ，B erg ander 和 发 表 了 用 模 型 研 究微 纤 丝 角 度 和 纤 维 细 胞 壁 层 厚 变 415的 影 响 和 重 要 性 的 论 文 ，研 究 发 现 s， 层 的 变 化 起 决 定 作 用 ，S 层 对 纤 维 横 向 性 能 的 改 变 也 起 一 定 作 用 ⋯，。G 等 人 于 2 003 年 发 表 观 点 ，认 为 优 化 的 化 学 机 械 浆 磨 浆 工 艺 可 使 纤 维 通 过 细 胞 壁 P 层 或 P 层 与 S 层 界 面 相 互 分 离 【8】。 不 同 类 型 的 纤 维 在 分 离 时 表 现 出 不 同 的 性 状 。 R udie 和 S 发 现 不 同 类 型 的 木 材 原 料 从 木 片 分 离 成 纤 维 时 ，其 破 碎 率 不 同 ’211。一 些 研 究 者 发 现 因 早 材 纤 维 壁 较 薄 ，磨 浆 时很 少 能把 能 量 转 换